适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的制作方法
专利名称:适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，包括无线传感标签及标签阅读器，所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方式通讯。本实用新型成本低，能适用于传感器密集分布采集方案；无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器；无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检；用信号无线传输方案替代传统的有线传输方案，避免了前期布线接线、后期拆线收线的麻烦，便于结构性能的周期性检测。
【专利说明】
适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及工程检测领域，尤其涉及一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统。【背景技术】
[0002]为了保证土木结构，例如桥梁、隧道、大坝、公共建筑等基础设施，在施工期与运营期的安全性和适用性，管理部门采用了定期巡检、周期性检查、乃至实时连续监测等方法评估土木结构的健康状态。在一些大型的土木结构，例如大跨桥梁和高耸建筑，布置了结构健康监测系统，用于连续监测运营中结构的状态。但是，健康监测系统方案的成本很高，显然不适用于大多数土木结构。结构健康状态的非连续检测方案:指通过设置合适的时间节点， 定期检测结构状态，并通过比较结构在现有状态的关键指标与上一次检测或初始状态的变化情况，判断结构近期是否出现异常。非连续检测方案在结构工程检测有广泛应用。例如， 桥梁承载力评定，主要测量静力加载在关键点的应力和挠度，除了通车前的一次检测，正常营运期间需定期检测。还比如施工过程中结构的沉降与倾角等关键指标，也需要在施工的不同阶段中检测。
[0003]非连续检测的传统方法多采用有线方案连接传感器和信号采集仪或工作站系统。 以桥梁检测为例，通常桥梁梁底或其他不易接近的位置均布有待检测点，须有桥梁检测车的辅助，才能完成安装传感器和接线布线的工作。考虑到桥梁待检测关键点的空间位置很分散，尤其是大跨度桥梁，几十米乃至几百米的连接线都屡见不鲜，这给实际操作带来很多不便。每次荷载试验结束后，须回收连接线，所以等到下一次检测时，还需要重新布线，非常不便。
[0004]近年来，随着无线传输技术的逐渐成熟，通过建立无线网络传输传感器采集到的信号，得到了越来越多的认可。但是，单价太高严重阻碍了无线传感器在市场上的应用推广。例如无线加速度传感器，市面上的单价一般在万元以上，但普通的有线加速度传感器只需几百元。随着无线射频识别技术快速发展，相关产品也在市面上广泛流通，使得无线射频卡的成本已经降到一个非常低的水准。这使得无线射频卡与传感器相结合，形成可广泛适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统变得可能。【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的:提供一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，能适用于传感器密集分布采集方案。无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器。仅需手持式设备即可实时显示测量数据，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检。能针对土木结构在使用运营期间和施工期间不同阶段的安全性，可做出更及时和准确的评价。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是:
[0007]—种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，包括无线传感标签及标签阅读器，所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方式通讯;所述的无线传感标签包括传感器及无线标签本体，所述的无线标签本体包括电压转换调整器、模数转换器、第一主控装置、第一微波收发器及第一供电管理器，所述的传感器的输出端与所述的电压转换调整器的输入端连接，每个所述的无线标签本体上连接有一个或多个传感器;所述的电压转换调整器的输出端与所述的模数转换器的输入端连接，所述的模数转换器及第一供电管理器的输出端分别与所述的第一主控装置的输入端连接，所述的第一主控装置与所述的第一微波收发器双向连接;所述的标签阅读器包括第二微波收发器、第二主控装置、第二供电管理器、控制键及显示器，所述的第二微波收发器与所述的第一微波收发器无线连接，所述的第二主控装置与所述的第二微波收发器双向连接;所述的第二供电管理器及控制键的输出端分别与所述的第二主控装置的输入端连接，所述的第二主控装置的输出端与所述的显示器的输入端连接，所述的显示器为LED屏。
[0008]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的传感器包括电阻应变片、挠度仪、倾角仪、温度传感器。
[0009]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第一主控装置上双向连接有下载检测接口及调试接口，所述的第一主控装置的输入端连接有开关量检测接口。
[0010]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二主控装置上设有USB接口，所述的第二主控装置通过所述的USB接口外接PC机。
[0011]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第一微波收发器包括第一微波收发芯片及第一全向天线，所述的第一微波收发芯片的一端与所述的第一主控装置双向连接，所述的第一微波收发芯片的另一端与所述的第一全向天线双向连接。
[0012]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第一供电管理器包括太阳能充电板、3.0V低压差稳压芯片、3.8V低压差稳压芯片及充电电池。
[0013]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二供电管理器为3.0V低压差稳压芯片。
[0014]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二主控装置上连接有USB接口、调试接口及下载检测接口。[〇〇15]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二微波收发器包括第二微波收发芯片及第二全向天线，所述的第二微波收发芯片的一端与所述的第二主控装置双向连接，所述的第二微波收发芯片的另一端与所述的第二全向天线双向连接。
[0016]本实用新型根据土木结构健康状态非连续检测的特点，结合无线射频卡，硬件成本比市面上的无线加速度型和无线应变型传感器系统要低得多，能适用于传感器密集分布采集方案;无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器;无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检；用信号无线传输方案替代传统的有线传输方案，避免了前期布线接线、后期拆线收线的麻烦，便于结构性能的周期性检测。【附图说明】
[0017]图1是本实用新型适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的结构框图。
[0018]图2是本实用新型适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的无线传感标签的原理图。
[0019]图3是本实用新型适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的标签阅读器的原理图。【具体实施方式】
[0020]以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。[0021 ]请参见附图1所示，一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，包括无线传感标签及标签阅读器3,所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方式通讯;所述的无线传感标签包括传感器1及无线标签本体2，所述的无线标签本体2包括电压转换调整器21、模数转换器22、第一主控装置23、第一微波收发器24及第一供电管理器25,所述的传感器1的输出端与所述的电压转换调整器21的输入端连接，每个所述的无线标签本体2上连接有一个或多个传感器1;所述的电压转换调整器21的输出端与所述的模数转换器22的输入端连接，所述的模数转换器22及第一供电管理器25的输出端分别与所述的第一主控装置23的输入端连接，所述的第一主控装置23与所述的第一微波收发器24 双向连接;所述的标签阅读器3包括第二微波收发器31、第二主控装置32、第二供电管理器 33、控制键34及显示器35,所述的第二微波收发器31与所述的第一微波收发器24无线连接， 所述的第二主控装置32与所述的第二微波收发器31双向连接;所述的第二供电管理器33及控制键34的输出端分别与所述的第二主控装置32的输入端连接，所述的第二主控装置32的输出端与所述的显示器35的输入端连接，所述的显示器35为LED屏。
[0022]请参见附图2所示，所述的传感器1包括电阻应变片(应变仪)11、挠度仪、倾角仪、 温度传感器等等，传感器1负责采集包含了土木结构健康状态信息的测量数据，可根据需求搭配各种类型传感器。[〇〇23]所述的第一主控装置23上双向连接有下载检测接口 231及调试接口 232,所述的第一主控装置23的输入端连接有开关量检测接口 233。
[0024]所述的第二主控装置32上设有USB接口，所述的第二主控装置32通过所述的USB接口外接PC机，可与PC机联机使用。[〇〇25]所述的第一微波收发器24包括第一微波收发芯片241及第一全向天线242,所述的第一微波收发芯片241的一端与所述的第一主控装置23双向连接，所述的第一微波收发芯片241的另一端与所述的第一全向天线242双向连接。[〇〇26] 所述的第一供电管理器25包括太阳能充电板251、3.0V低压差稳压芯片252、3.8V 低压差稳压芯片253及充电电池254。[〇〇27]充电电池254是有源射频卡的能量来源。本实用新型采用CR3032锂锰纽扣电池，容量为 550mAh。
[0028]本实用新型其中一个显著优点在于无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检。手持式设备是通过设计一个与无线传感标签相配套的标签阅读器3实现。 [〇〇29] 请参见附图3所示，所述的第二供电管理器33为3.0V低压差稳压芯片331。
[0030] 低压差稳压芯片:线性稳压器，作用从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。本实用新型采用T0REX的XC6206P30MR型低压差稳压芯片。[0031 ] 所述的第二主控装置32上连接有USB接口 321、调试接口 322及下载检测接口 323。 第二主控装置32是标签阅读器3控制实现各项功能的中枢。本实用新型选用STM32F103型 MCU，其内部资源丰富，并且带USB接口 321，通过USB接口 321，可将最近采集到的数据存储在计算机，便于进一步分析与处理。
[0032]所述的第二微波收发器31包括第二微波收发芯片311及第二全向天线312,所述的第二微波收发芯片311的一端与所述的第二主控装置32双向连接，所述的第二微波收发芯片311的另一端与所述的第二全向天线312双向连接。[〇〇33] 控制键34和显示屏35:通过LCD屏显示，掌握附近无线传感器自身信息，例如传感器编号。结合控制键34和LCD屏，实现信号采集模式的选择。选择1:设置采集时间间隔，定时采集;选择2:单次采集并发出采集命令。通过LCD屏显示，获取传感器1采集到的结构实时信息。
[0034]无线标签本体2的各部分具有不同的功能。电压转换调整器21的功能包括:(1)非电压信号的转换；(2)电压信号的调整放大；(3)提供电压基准源。模数转换器22的功能是将输入电压信号转换为输出的数字信号。微波收发器24的功能在于根据无线通信标准，按照指令将数字信号发送给一定距离外的标签阅读器。微波收发器24具有多种低功耗工作模式:(1)配置定时器进行周期定时唤醒自身并进行数据采集，当接收到有效数据时输出中断通知；(2)由外部发出指令，唤醒阅读器进行采集，发出有效数据后重新进入休眠。[〇〇35]标签阅读器3的控制键34可发出数据采集指令，标签阅读器3上的第二微波收发器 31负责将指令发送给无线标签本体2。标签阅读器3接收到有效测量数据后，通过标签阅读器3的显示器35将测量数据直接在显示器35上显示。数据保存在标签阅读器3内的SD卡中， 可在本地查看历史记录，也可通过USB接口保存在计算机，通过专业分析软件，进行后续分析。
[0036]本实用新型的具体实现有以下步骤:[〇〇37](1)根据土木工程结构的具体受力特点和监测目标，选择关键点布置传感器1，从传感器1连线到附近的无线标签本体2,多个传感器2可连接到同一个无线标签本体2上。 [〇〇38](2)通过标签阅读器3的控制键34发出数据采集指令，由标签阅读器3上的第二微波收发器31将指令发送给无线标签本体2,当无线标签本体2收到命令，由无线标签本体2的第一主控装置23启动数据采集操作。[〇〇39](3)通过无线标签本体2的电压转换调整器21，将传感器2输出的非电压信号转换成电压信号，将平衡电桥201通过仪表运算放大器202调整信号强度，将实测的微弱电压信号放大。并提供一个电压基准源203,实测输入电压与之比较，可提高测量精度。
[0040]平衡电桥201的作用是将电阻式应变传感器测到的电阻变化量转换成电压变化量;仪表运算放大器202的作用是将实测的微弱电压信号进行放大，本实用新型采用INA118型精密仪表放大器，内部集成了输入保护电路，其增益可由外部可调增益电阻Rg进行调节； 电压基准源203的作用是通过确定实测输入电压值与电压基准源203的电压值的比值，提高电压测量的精度，本实用新型采用REF5020，电压基准源203的稳定输出电压是2.048V。 [〇〇41] (4)通过无线标签本体2的模数转换器22,将输入电压信号转换为输出的数字信号，根据电压变化范围的大小和测量精度的要求，选择合适位数的电压模数转换器。模数转换经过采样、保持、量化和编码这几个步骤。[0〇42]模数转换器22也称为A/D转换器(或ADC)，可将输入的电压信号转换为数字信号输出。模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤。模数转换器22都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。转换器输出的数字表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器22的精度很大程度取决于转化器的位数。当电压测量范围固定，增加位数可有效提高测量精度。本实用新型采用12位的模数转换器。[〇〇43] (5)无线标签本体2的供电管理器25提供第一主控装置23和第一微波收发器24所需能量。利用太阳能充电板251产生一定的电压，由3.8V低压差稳压芯片253减去输入电压中超额的部分，调节后的电压输出到充电电池254。再次通过3.0V低压差稳压芯片252调整电压强度，调节后电压用于第一主控装置23和第一微波收发器24的供电。
[0044]第一主控装置23是无线传感标签控制实现各项功能的中枢，本实用新型采用单片机STM32L051。
[0045] (6)为了降低测量噪声的干扰，一次有效测量采用以一定的采样时间间隔、多次采样取平均值的方法。当达到规定采样次数后，通过无线标签本体2的第一微波收发器24,将有效测量数据发送给标签阅读器3。
[0046]无线标签本体2与标签阅读器3之间的无线通讯，第一微波收发器24本实用新型采用SKY6605型芯片，是一款全集成低中频5.8GHz频段收发器芯片，兼容中国专用短程通信 DSRC标准GBT20851.2 -2007。芯片采用FM0编码，ASK调制方案传输数据。使用极少的外部器件即可实现-80dBm的接收灵敏度和-8dBm?8dBm可调谐发射功率。数据传输速率可达1Mbps。具有休眠与定时唤醒两种低功耗工作模式，休眠模式下电流消耗仅为3uA。[〇〇47] (7)标签阅读器3接收到有效测量数据后，通过标签阅读器3的显示器35,将测量数据直接在手持式显示屏上显示。该数据保存在标签阅读器3内的SD卡中，可在本地查看历史记录，也可通过USB接口 321保存在计算机，通过专业分析软件，进行后续分析。[〇〇48]电阻式应变传感器在土木工程结构检测领域的应用非常广，被成功地用在了桥梁、房屋建筑、隧道、大坝等基础设施的局部安全性检测。该类型传感器的技术很成熟，针对不同的应用需求，既有低端廉价产品，也有高端高性能产品。与土木工程结构检测的特点相结合，基于本实用新型的基本原理，本实用新型提出一种结合电阻式应变传感器的无线射频传感系统。特别指出的是，本实用新型并不局限于电阻式应变传感器。
[0049]综上所述，本实用新型根据土木结构健康状态非连续检测的特点，结合无线射频卡，硬件成本比市面上的无线加速度型和无线应变型传感器系统要低得多，能适用于传感器密集分布采集方案;无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器;无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检;用信号无线传输方案替代传统的有线传输方案，避免了前期布线接线、 后期拆线收线的麻烦，便于结构性能的周期性检测。
[0050]以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围， 凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其特征在于:包括 无线传感标签及标签阅读器，所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方 式通讯;所述的无线传感标签包括传感器及无线标签本体，所述的无线标签本体包括电压 转换调整器、模数转换器、第一主控装置、第一微波收发器及第一供电管理器，所述的传感 器的输出端与所述的电压转换调整器的输入端连接，每个所述的无线标签本体上连接有一 个或多个传感器;所述的电压转换调整器的输出端与所述的模数转换器的输入端连接，所 述的模数转换器及第一供电管理器的输出端分别与所述的第一主控装置的输入端连接，所 述的第一主控装置与所述的第一微波收发器双向连接;所述的标签阅读器包括第二微波收 发器、第二主控装置、第二供电管理器、控制键及显示器，所述的第二微波收发器与所述的 第一微波收发器无线连接，所述的第二主控装置与所述的第二微波收发器双向连接;所述 的第二供电管理器及控制键的输出端分别与所述的第二主控装置的输入端连接，所述的第 二主控装置的输出端与所述的显示器的输入端连接，所述的显示器为LED屏。2.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的传感器包括电阻应变片、挠度仪、倾角仪、温度传感器。3.根据权利要求1或2所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系 统，其特征在于:所述的第一主控装置上双向连接有下载检测接口及调试接口，所述的第一 主控装置的输入端连接有开关量检测接口。4.根据权利要求3所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二主控装置上设有USB接口，所述的第二主控装置通过所述的USB接 口外接PC机。5.根据权利要求4所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第一微波收发器包括第一微波收发芯片及第一全向天线，所述的第一 微波收发芯片的一端与所述的第一主控装置双向连接，所述的第一微波收发芯片的另一端 与所述的第一全向天线双向连接。6.根据权利要求5所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第一供电管理器包括太阳能充电板、3.0V低压差稳压芯片、3.8V低压差 稳压芯片及充电电池。7.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二供电管理器为3.0V低压差稳压芯片。8.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二主控装置上连接有USB接口、调试接口及下载检测接口。9.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二微波收发器包括第二微波收发芯片及第二全向天线，所述的第二 微波收发芯片的一端与所述的第二主控装置双向连接，所述的第二微波收发芯片的另一端 与所述的第二全向天线双向连接。
【文档编号】G06K17/00GK205721869SQ201620394323
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】陈志为, 程冬冬, 郭军
【申请人】厦门汇智远科技有限责任公司
【专利摘要】本实用新型公开了一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，包括无线传感标签及标签阅读器，所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方式通讯。本实用新型成本低，能适用于传感器密集分布采集方案；无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器；无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检；用信号无线传输方案替代传统的有线传输方案，避免了前期布线接线、后期拆线收线的麻烦，便于结构性能的周期性检测。
【专利说明】
适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及工程检测领域，尤其涉及一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统。【背景技术】
[0002]为了保证土木结构，例如桥梁、隧道、大坝、公共建筑等基础设施，在施工期与运营期的安全性和适用性，管理部门采用了定期巡检、周期性检查、乃至实时连续监测等方法评估土木结构的健康状态。在一些大型的土木结构，例如大跨桥梁和高耸建筑，布置了结构健康监测系统，用于连续监测运营中结构的状态。但是，健康监测系统方案的成本很高，显然不适用于大多数土木结构。结构健康状态的非连续检测方案:指通过设置合适的时间节点， 定期检测结构状态，并通过比较结构在现有状态的关键指标与上一次检测或初始状态的变化情况，判断结构近期是否出现异常。非连续检测方案在结构工程检测有广泛应用。例如， 桥梁承载力评定，主要测量静力加载在关键点的应力和挠度，除了通车前的一次检测，正常营运期间需定期检测。还比如施工过程中结构的沉降与倾角等关键指标，也需要在施工的不同阶段中检测。
[0003]非连续检测的传统方法多采用有线方案连接传感器和信号采集仪或工作站系统。 以桥梁检测为例，通常桥梁梁底或其他不易接近的位置均布有待检测点，须有桥梁检测车的辅助，才能完成安装传感器和接线布线的工作。考虑到桥梁待检测关键点的空间位置很分散，尤其是大跨度桥梁，几十米乃至几百米的连接线都屡见不鲜，这给实际操作带来很多不便。每次荷载试验结束后，须回收连接线，所以等到下一次检测时，还需要重新布线，非常不便。
[0004]近年来，随着无线传输技术的逐渐成熟，通过建立无线网络传输传感器采集到的信号，得到了越来越多的认可。但是，单价太高严重阻碍了无线传感器在市场上的应用推广。例如无线加速度传感器，市面上的单价一般在万元以上，但普通的有线加速度传感器只需几百元。随着无线射频识别技术快速发展，相关产品也在市面上广泛流通，使得无线射频卡的成本已经降到一个非常低的水准。这使得无线射频卡与传感器相结合，形成可广泛适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统变得可能。【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的:提供一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，能适用于传感器密集分布采集方案。无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器。仅需手持式设备即可实时显示测量数据，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检。能针对土木结构在使用运营期间和施工期间不同阶段的安全性，可做出更及时和准确的评价。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是:
[0007]—种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，包括无线传感标签及标签阅读器，所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方式通讯;所述的无线传感标签包括传感器及无线标签本体，所述的无线标签本体包括电压转换调整器、模数转换器、第一主控装置、第一微波收发器及第一供电管理器，所述的传感器的输出端与所述的电压转换调整器的输入端连接，每个所述的无线标签本体上连接有一个或多个传感器;所述的电压转换调整器的输出端与所述的模数转换器的输入端连接，所述的模数转换器及第一供电管理器的输出端分别与所述的第一主控装置的输入端连接，所述的第一主控装置与所述的第一微波收发器双向连接;所述的标签阅读器包括第二微波收发器、第二主控装置、第二供电管理器、控制键及显示器，所述的第二微波收发器与所述的第一微波收发器无线连接，所述的第二主控装置与所述的第二微波收发器双向连接;所述的第二供电管理器及控制键的输出端分别与所述的第二主控装置的输入端连接，所述的第二主控装置的输出端与所述的显示器的输入端连接，所述的显示器为LED屏。
[0008]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的传感器包括电阻应变片、挠度仪、倾角仪、温度传感器。
[0009]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第一主控装置上双向连接有下载检测接口及调试接口，所述的第一主控装置的输入端连接有开关量检测接口。
[0010]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二主控装置上设有USB接口，所述的第二主控装置通过所述的USB接口外接PC机。
[0011]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第一微波收发器包括第一微波收发芯片及第一全向天线，所述的第一微波收发芯片的一端与所述的第一主控装置双向连接，所述的第一微波收发芯片的另一端与所述的第一全向天线双向连接。
[0012]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第一供电管理器包括太阳能充电板、3.0V低压差稳压芯片、3.8V低压差稳压芯片及充电电池。
[0013]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二供电管理器为3.0V低压差稳压芯片。
[0014]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二主控装置上连接有USB接口、调试接口及下载检测接口。[〇〇15]上述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其中，所述的第二微波收发器包括第二微波收发芯片及第二全向天线，所述的第二微波收发芯片的一端与所述的第二主控装置双向连接，所述的第二微波收发芯片的另一端与所述的第二全向天线双向连接。
[0016]本实用新型根据土木结构健康状态非连续检测的特点，结合无线射频卡，硬件成本比市面上的无线加速度型和无线应变型传感器系统要低得多，能适用于传感器密集分布采集方案;无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器;无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检；用信号无线传输方案替代传统的有线传输方案，避免了前期布线接线、后期拆线收线的麻烦，便于结构性能的周期性检测。【附图说明】
[0017]图1是本实用新型适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的结构框图。
[0018]图2是本实用新型适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的无线传感标签的原理图。
[0019]图3是本实用新型适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统的标签阅读器的原理图。【具体实施方式】
[0020]以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。[0021 ]请参见附图1所示，一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，包括无线传感标签及标签阅读器3,所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方式通讯;所述的无线传感标签包括传感器1及无线标签本体2，所述的无线标签本体2包括电压转换调整器21、模数转换器22、第一主控装置23、第一微波收发器24及第一供电管理器25,所述的传感器1的输出端与所述的电压转换调整器21的输入端连接，每个所述的无线标签本体2上连接有一个或多个传感器1;所述的电压转换调整器21的输出端与所述的模数转换器22的输入端连接，所述的模数转换器22及第一供电管理器25的输出端分别与所述的第一主控装置23的输入端连接，所述的第一主控装置23与所述的第一微波收发器24 双向连接;所述的标签阅读器3包括第二微波收发器31、第二主控装置32、第二供电管理器 33、控制键34及显示器35,所述的第二微波收发器31与所述的第一微波收发器24无线连接， 所述的第二主控装置32与所述的第二微波收发器31双向连接;所述的第二供电管理器33及控制键34的输出端分别与所述的第二主控装置32的输入端连接，所述的第二主控装置32的输出端与所述的显示器35的输入端连接，所述的显示器35为LED屏。
[0022]请参见附图2所示，所述的传感器1包括电阻应变片(应变仪)11、挠度仪、倾角仪、 温度传感器等等，传感器1负责采集包含了土木结构健康状态信息的测量数据，可根据需求搭配各种类型传感器。[〇〇23]所述的第一主控装置23上双向连接有下载检测接口 231及调试接口 232,所述的第一主控装置23的输入端连接有开关量检测接口 233。
[0024]所述的第二主控装置32上设有USB接口，所述的第二主控装置32通过所述的USB接口外接PC机，可与PC机联机使用。[〇〇25]所述的第一微波收发器24包括第一微波收发芯片241及第一全向天线242,所述的第一微波收发芯片241的一端与所述的第一主控装置23双向连接，所述的第一微波收发芯片241的另一端与所述的第一全向天线242双向连接。[〇〇26] 所述的第一供电管理器25包括太阳能充电板251、3.0V低压差稳压芯片252、3.8V 低压差稳压芯片253及充电电池254。[〇〇27]充电电池254是有源射频卡的能量来源。本实用新型采用CR3032锂锰纽扣电池，容量为 550mAh。
[0028]本实用新型其中一个显著优点在于无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检。手持式设备是通过设计一个与无线传感标签相配套的标签阅读器3实现。 [〇〇29] 请参见附图3所示，所述的第二供电管理器33为3.0V低压差稳压芯片331。
[0030] 低压差稳压芯片:线性稳压器，作用从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。本实用新型采用T0REX的XC6206P30MR型低压差稳压芯片。[0031 ] 所述的第二主控装置32上连接有USB接口 321、调试接口 322及下载检测接口 323。 第二主控装置32是标签阅读器3控制实现各项功能的中枢。本实用新型选用STM32F103型 MCU，其内部资源丰富，并且带USB接口 321，通过USB接口 321，可将最近采集到的数据存储在计算机，便于进一步分析与处理。
[0032]所述的第二微波收发器31包括第二微波收发芯片311及第二全向天线312,所述的第二微波收发芯片311的一端与所述的第二主控装置32双向连接，所述的第二微波收发芯片311的另一端与所述的第二全向天线312双向连接。[〇〇33] 控制键34和显示屏35:通过LCD屏显示，掌握附近无线传感器自身信息，例如传感器编号。结合控制键34和LCD屏，实现信号采集模式的选择。选择1:设置采集时间间隔，定时采集;选择2:单次采集并发出采集命令。通过LCD屏显示，获取传感器1采集到的结构实时信息。
[0034]无线标签本体2的各部分具有不同的功能。电压转换调整器21的功能包括:(1)非电压信号的转换；(2)电压信号的调整放大；(3)提供电压基准源。模数转换器22的功能是将输入电压信号转换为输出的数字信号。微波收发器24的功能在于根据无线通信标准，按照指令将数字信号发送给一定距离外的标签阅读器。微波收发器24具有多种低功耗工作模式:(1)配置定时器进行周期定时唤醒自身并进行数据采集，当接收到有效数据时输出中断通知；(2)由外部发出指令，唤醒阅读器进行采集，发出有效数据后重新进入休眠。[〇〇35]标签阅读器3的控制键34可发出数据采集指令，标签阅读器3上的第二微波收发器 31负责将指令发送给无线标签本体2。标签阅读器3接收到有效测量数据后，通过标签阅读器3的显示器35将测量数据直接在显示器35上显示。数据保存在标签阅读器3内的SD卡中， 可在本地查看历史记录，也可通过USB接口保存在计算机，通过专业分析软件，进行后续分析。
[0036]本实用新型的具体实现有以下步骤:[〇〇37](1)根据土木工程结构的具体受力特点和监测目标，选择关键点布置传感器1，从传感器1连线到附近的无线标签本体2,多个传感器2可连接到同一个无线标签本体2上。 [〇〇38](2)通过标签阅读器3的控制键34发出数据采集指令，由标签阅读器3上的第二微波收发器31将指令发送给无线标签本体2,当无线标签本体2收到命令，由无线标签本体2的第一主控装置23启动数据采集操作。[〇〇39](3)通过无线标签本体2的电压转换调整器21，将传感器2输出的非电压信号转换成电压信号，将平衡电桥201通过仪表运算放大器202调整信号强度，将实测的微弱电压信号放大。并提供一个电压基准源203,实测输入电压与之比较，可提高测量精度。
[0040]平衡电桥201的作用是将电阻式应变传感器测到的电阻变化量转换成电压变化量;仪表运算放大器202的作用是将实测的微弱电压信号进行放大，本实用新型采用INA118型精密仪表放大器，内部集成了输入保护电路，其增益可由外部可调增益电阻Rg进行调节； 电压基准源203的作用是通过确定实测输入电压值与电压基准源203的电压值的比值，提高电压测量的精度，本实用新型采用REF5020，电压基准源203的稳定输出电压是2.048V。 [〇〇41] (4)通过无线标签本体2的模数转换器22,将输入电压信号转换为输出的数字信号，根据电压变化范围的大小和测量精度的要求，选择合适位数的电压模数转换器。模数转换经过采样、保持、量化和编码这几个步骤。[0〇42]模数转换器22也称为A/D转换器(或ADC)，可将输入的电压信号转换为数字信号输出。模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤。模数转换器22都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。转换器输出的数字表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器22的精度很大程度取决于转化器的位数。当电压测量范围固定，增加位数可有效提高测量精度。本实用新型采用12位的模数转换器。[〇〇43] (5)无线标签本体2的供电管理器25提供第一主控装置23和第一微波收发器24所需能量。利用太阳能充电板251产生一定的电压，由3.8V低压差稳压芯片253减去输入电压中超额的部分，调节后的电压输出到充电电池254。再次通过3.0V低压差稳压芯片252调整电压强度，调节后电压用于第一主控装置23和第一微波收发器24的供电。
[0044]第一主控装置23是无线传感标签控制实现各项功能的中枢，本实用新型采用单片机STM32L051。
[0045] (6)为了降低测量噪声的干扰，一次有效测量采用以一定的采样时间间隔、多次采样取平均值的方法。当达到规定采样次数后，通过无线标签本体2的第一微波收发器24,将有效测量数据发送给标签阅读器3。
[0046]无线标签本体2与标签阅读器3之间的无线通讯，第一微波收发器24本实用新型采用SKY6605型芯片，是一款全集成低中频5.8GHz频段收发器芯片，兼容中国专用短程通信 DSRC标准GBT20851.2 -2007。芯片采用FM0编码，ASK调制方案传输数据。使用极少的外部器件即可实现-80dBm的接收灵敏度和-8dBm?8dBm可调谐发射功率。数据传输速率可达1Mbps。具有休眠与定时唤醒两种低功耗工作模式，休眠模式下电流消耗仅为3uA。[〇〇47] (7)标签阅读器3接收到有效测量数据后，通过标签阅读器3的显示器35,将测量数据直接在手持式显示屏上显示。该数据保存在标签阅读器3内的SD卡中，可在本地查看历史记录，也可通过USB接口 321保存在计算机，通过专业分析软件，进行后续分析。[〇〇48]电阻式应变传感器在土木工程结构检测领域的应用非常广，被成功地用在了桥梁、房屋建筑、隧道、大坝等基础设施的局部安全性检测。该类型传感器的技术很成熟，针对不同的应用需求，既有低端廉价产品，也有高端高性能产品。与土木工程结构检测的特点相结合，基于本实用新型的基本原理，本实用新型提出一种结合电阻式应变传感器的无线射频传感系统。特别指出的是，本实用新型并不局限于电阻式应变传感器。
[0049]综上所述，本实用新型根据土木结构健康状态非连续检测的特点，结合无线射频卡，硬件成本比市面上的无线加速度型和无线应变型传感器系统要低得多，能适用于传感器密集分布采集方案;无线标签体积小，方便部署，一个标签可连接多个传感器，并可根据测量需要灵活修改硬件以支持不同类型传感器;无需通过采集仪和服务器终端，仅需手持式设备即可实时显示测量数据，大量降低成本的同时，更适用于在传感器布设线路上对土木结构做安全巡检;用信号无线传输方案替代传统的有线传输方案，避免了前期布线接线、 后期拆线收线的麻烦，便于结构性能的周期性检测。
[0050]以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围， 凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统，其特征在于:包括 无线传感标签及标签阅读器，所述的无线传感标签与所述的标签阅读器之间以无线通信方 式通讯;所述的无线传感标签包括传感器及无线标签本体，所述的无线标签本体包括电压 转换调整器、模数转换器、第一主控装置、第一微波收发器及第一供电管理器，所述的传感 器的输出端与所述的电压转换调整器的输入端连接，每个所述的无线标签本体上连接有一 个或多个传感器;所述的电压转换调整器的输出端与所述的模数转换器的输入端连接，所 述的模数转换器及第一供电管理器的输出端分别与所述的第一主控装置的输入端连接，所 述的第一主控装置与所述的第一微波收发器双向连接;所述的标签阅读器包括第二微波收 发器、第二主控装置、第二供电管理器、控制键及显示器，所述的第二微波收发器与所述的 第一微波收发器无线连接，所述的第二主控装置与所述的第二微波收发器双向连接;所述 的第二供电管理器及控制键的输出端分别与所述的第二主控装置的输入端连接，所述的第 二主控装置的输出端与所述的显示器的输入端连接，所述的显示器为LED屏。2.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的传感器包括电阻应变片、挠度仪、倾角仪、温度传感器。3.根据权利要求1或2所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系 统，其特征在于:所述的第一主控装置上双向连接有下载检测接口及调试接口，所述的第一 主控装置的输入端连接有开关量检测接口。4.根据权利要求3所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二主控装置上设有USB接口，所述的第二主控装置通过所述的USB接 口外接PC机。5.根据权利要求4所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第一微波收发器包括第一微波收发芯片及第一全向天线，所述的第一 微波收发芯片的一端与所述的第一主控装置双向连接，所述的第一微波收发芯片的另一端 与所述的第一全向天线双向连接。6.根据权利要求5所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第一供电管理器包括太阳能充电板、3.0V低压差稳压芯片、3.8V低压差 稳压芯片及充电电池。7.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二供电管理器为3.0V低压差稳压芯片。8.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二主控装置上连接有USB接口、调试接口及下载检测接口。9.根据权利要求1所述的适用于土木结构健康状态非连续检测的无线射频传感系统， 其特征在于:所述的第二微波收发器包括第二微波收发芯片及第二全向天线，所述的第二 微波收发芯片的一端与所述的第二主控装置双向连接，所述的第二微波收发芯片的另一端 与所述的第二全向天线双向连接。
【文档编号】G06K17/00GK205721869SQ201620394323
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】陈志为, 程冬冬, 郭军
【申请人】厦门汇智远科技有限责任公司
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